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针对数字脉冲间隔调制(DPIM)存在的问题和性能方面的不足,提出了一种新型的双幅度定长脉冲间隔调制(DAFDPIM)方式,对其调制结构进行了详细阐述,讨论了发射功率、带宽需求、传输容量和差错性能等问题,并与其他几种DPIM 的改进方式进行了仿真对比。理论分析和仿真结果表明:这种新型的DAFDPIM 方式能实现性能方面较好的平衡,并解决了DPIM 符号长度不固定的问题,在无线光通信系统中具有一定的应用前景。
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51, 090602(2014)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2014《中国激光》杂志社
090602-1
一种新型的双幅度定长脉冲间隔调制方式
马 宁 李晓毅 杨 刚 陈 谋
重庆通信学院, 重庆 400035
摘要 针对数 字脉冲间隔 调制(DPIM)存在 的 问题和性 能方面的 不 足,提出了 一种新型的 双幅度定 长脉冲间隔 调制
(DAFDPIM)方式,对其调制结构进行了详细 阐述,讨论了发射功率、带宽需求、传输 容量和差错性能等问题,并与 其
他几种 DPIM 的改进方式进行了仿真对比。理论分析和仿真结果表明:这种新型的 DAFDPIM 方式能实现性能方面
较好的平衡,并解决了 DPIM 符号长度不固定的问题,在无线光通信系统中具有一定的应用前景。
关键词 光通信; 双幅度定长脉冲间隔调制; 性能分析; 发射功率; 带宽需求; 误时隙率
中图分类号 TN929.12 文献标识码 A doi: 10.3788/LOP51.090602
A Novel Dual-Amplitude Fixed Length Digital Pulse Interval
Modulation Scheme
Ma Ning Li Xiaoyi Yang Gang Chen Mou
Chongqing Communication Institute, Chongqing 400035, China
Abstract Aiming at the problems and performance shortage of digital pulse interval modulation (PDM), a novel
dual-amplitude fixed length digital pulse interval modulation (DAFDPIM) scheme is proposed. The structure of
the modulation is described in detail. The transmit power, bandwidth requirement, transmission capacity and
error performance are discussed. Then these performances are compared with several other improved DPIM
modulation. The theoretical analysis and simulation results show that this novel DAFDPIM can achieve a good
balance on various performances and make up the lack of the DPIM with unfixed symbol length. Hence, this
novel modulation scheme is superior in optical wireless communication system.
Key words optical communications; dual-amplitude fixed length digital pulse interval modulation;
performance analysis; transmit power; bandwidth requirement; slot error rate
OCIS codes 060.4510; 060.4080; 250.4110
1 引 言
无线 光通 信是利用光波作为载体来传输 信息 的一 种通信模式,能实 现点 对点短距离的高速率、高可靠
性的信息传输,有着广 阔的应用前景
[1-2]
。调制技术对无 线光通信的传输 距离、传输速率以及误码性能有着
较大的影响,由于相位调制的复杂性,目前无线光通信主要采用强度调制/直接检测(IM/DD)系统,典型的调
制方式有开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)和数字脉冲间隔调制(DPIM)等
[3]
。其中,OOK 是最简单的一
种调制方式,容易实现,但功率利用率和传输的可靠性都不高;PPM 是一种正交的调制方式,具有较好的功
率利用率和抗干扰能 力,但带宽效率不高,并且需要严格的 符号同步才能保证正确解调;DPIM 带宽效率较
高,也不需要符号同步,但它的调制符号长度不固定,容易 造成 调制 器缓 存溢 出或 者无关空时隙加入,影响
解调结 果的正 确性。 针对 DPIM 存在的 不足,研究 者们提出 了几种 改进方 式,包括定 长数字 脉冲间 隔调制
(FDPIM)、双幅度脉冲间隔调制(DAPIM)以及定长双幅度脉冲间隔调制(FDAPIM)等。本文在此基础上,提
出了一种新的双幅度定长数字脉冲间隔调制(DAFDPIM)方式,研究了这种调制的符号结构、发射功率、带宽
需求、传输容量和差错性能等,并进行了仿真对比。
收稿日期: 2014-04-11; 收到修改稿日期: 2014-05-11; 网络出版日期: 2014-08-14
基金项目: 重庆市自然科学基金(cstc2012jjA40033)
作者简介: 马 宁(1990—),男,硕士研究生,主要从事紫外光通信方面的研究。E-mail: 498472762@qq.com
导师简介: 李晓毅(1973—),男,教授,主要从事无线光通信方面的研究。E-mail: li_mingdong@126.com
51, 090602(2014)
激光与光电子学进展
www.opticsjournal.net
090602-
2 调制结构分析
DPIM 是利用相邻脉冲之间的间隔来传递信息的,编码特征决定了 DPIM 的符号长度是变化的,这会出
现两种可能:当调制系统的输入速率大于调制速率时,调制系统的缓存就会以一定概率溢出;反之如果输入
速率小于调制速率,调制系统就会等待,产生无关空时隙,进而影响到解调的正确性
[4]
。
FDPIM 是 针 对 DPIM 符 号 长 度 不 固 定 而 提 出 的 一 种 改 进 型 的 调 制 方 式
[5]
。 在
M
位 ( 称 为 位 分 辨 率)
DPIM 调制结构的基础上,加入一个双时隙脉冲作为标识脉冲,再跟一个保护时隙防止出现连续 3 个高脉冲,
最后以空时 隙 补 足
2
M
+ 4
个时隙,便 可 得到相应的
M
位 FDPIM 调 制 信号,标 识 脉 冲 后的空时隙 不 表 示 信
息。相比 DPIM,FDPIM 的符号长度固定为
2
M
+ 4
,解调过程同样只需时隙同步,而不需要复杂的符号同步。
FDAPIM 在 FDPIM 的基础上做了进一步的改进
[6]
。将
M
位 FDPIM 符号中的双时隙标识脉冲用幅度为
β(0 < β < 1)
的单时隙脉冲代替即为对应的 FDAPIM 符号,每个符号包括固定的
2
M
+ 3
个时隙,相对于 FDPIM
提高了带宽效率。
DAPIM 是为了进 一步 减小 DPIM 的平均符号长度 而提 出的一种改进方 式,包括 两种 形式的起始脉冲 ,
幅度分别为 1 和
β
[7]
。对于
M
位的二进制数组,可以用
2
M
种 DAPIM 符号表示,对第
k(0 ≤ k < 2
M
)
种符号,以
脉冲时隙起始,当 k < 2
M - 1
,起始脉冲幅度为 1,当 k ≥ 2
M - 1
时起始脉冲幅度为
β
(也可采用相反的规定),后跟
一个保护时隙,再跟
m
k
个空时隙表示信息,
m
k
可表示为
m
k
=
{
k
k - 2
M - 1
,
,
k < 2
M - 1
k ≥ 2
M - 1
. (1)
和 DPIM 相比,DAPIM 进一步提高了带宽效率
[8]
。几种调制方式的符号波形如图 1 所示。
图 1 各种调制方式的编码结构
Fig.1 Symbol structure of different modulation methods
以上 几种改进的 DPIM 方式中,DAPIM 只是进一步 缩短 了符号长度,而没有解决 调制 符号长度不固定
的问题;FDPIM 和 FDAPIM 信号的符号长度虽然固定,但其带宽效率却降低了。总的来说,这三种调制方式
虽然对 DPIM 调制 进行了一些 改进,但却 都存在着明 显的不 足或者 性能方面的 劣势。 如果能 在改进 DPIM
不足的同时,又不对性能产生较大的影响,这样的调制方式将更具优势。
通过对以上几种调制方式的研究,这里提出一种新型的 DAFDPIM 的思想。如图 1 所示,这种调制思想
是将一个
M
位的二进制数组映射为由 2
M - 1
+ 4 个时隙组成的时间段上的双幅度脉冲信号。为方便说明,可
将每段编码符号分为信息符号段和补充符号段。信息符号段表示信息,采用类似 DAPIM 的编码方式,即包
括两种幅度分别为 1 和
β
的单时隙起始脉冲,当 k < 2
M - 1
时起始脉冲幅度为 1,当 k ≥ 2
M - 1
时起始脉冲幅度为
β
,其后先跟一个保护时隙,再跟
m
k
个空时隙表示信息,
m
k
同样可由(1)式确定;补充符号不表示信息,采用
类似 FDPIM 的编 码方 式,即包括一个双时隙的标识脉冲,再加一个保护时隙,再跟 (2
M - 1
- m
k
- 1) 个空时隙,
这样就完成了调制编码的过程。解调时,当判断单时隙脉冲到来时,开始对其后的空时隙进行计数,直到双
时隙标识脉冲到来,输出计数值,再对计数值减 1 就实现了解调,这一过程不需要符号同步。
相 比 FDPIM 和 FDAPIM,这 种 新 型 DAFDPIM 方 式 缩 短 了 符 号 长 度 ,提 高 了 带 宽 效 率 ;而 与 DPIM 和
DAPIM 相比,符号长度固定,简化了系统复杂度,是一种折中的调制思想,具有一定的优势。
2
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